Apa itu listrik?
Listrik adalah sekumpulan fenomena fisika yang berhubungan dengan adanya muatan listrik. Meskipun pada awalnya listrik dianggap sebagai fenomena yang terpisah dari magnet, tetapi dengan perkembangan persamaan Maxwell, kedua fenomena ini diakui sebagai bagian dari fenomena tunggal: elektromagnetisme. Berbagai fenomena umum yang berhubungan dengan listrik, seperti petir, listrik statis, pemanasan listrik, pelepasan listrik, dan banyak lainnya. Selain itu, listrik adalah jantung dari banyak teknologi modern.
Kehadiran muatan listrik, yang dapat berupa positif atau negatif, menghasilkan medan listrik. Di sisi lain, pergerakan muatan listrik, yang disebut arus listrik, menciptakan medan magnet.
Ketika sebuah muatan ditempatkan pada suatu titik dengan medan listrik yang tidak nol, sebuah gaya bekerja padanya. Besarnya gaya ini ditentukan oleh hukum Coulomb. Jadi, jika muatan ini dipindahkan, medan listrik akan melakukan kerja untuk memindahkan (pengereman) muatan listrik. Dengan demikian, kita dapat berbicara tentang potensial listrik pada titik tertentu dalam ruang, sama dengan pekerjaan yang dilakukan oleh agen eksternal ketika mentransfer satu unit muatan positif dari titik referensi yang dipilih secara sewenang-wenang ke titik ini tanpa percepatan apa pun dan, sebagai aturan, diukur dalam volt.
Dalam teknik elektro, listrik digunakan untuk:
- memasok listrik ke tempat di mana arus listrik digunakan untuk menyalakan peralatan;
- dalam elektronika berurusan dengan sirkuit listrik yang mencakup komponen listrik aktif seperti tabung vakum, transistor, dioda, dan sirkuit terpadu, dan elemen pasif yang terkait.
Fenomena listrik telah dipelajari sejak zaman kuno, meskipun kemajuan dalam pemahaman teoretis dimulai pada abad ke-17 dan ke-18. Bahkan saat itu, penerapan praktis listrik jarang terjadi, dan para insinyur baru dapat menggunakannya untuk keperluan industri dan perumahan pada akhir abad ke-19. Pesatnya perkembangan teknologi kelistrikan saat ini mengubah industri dan masyarakat. Fleksibilitas listrik terletak pada kenyataan bahwa itu dapat digunakan di hampir tak terbatas jumlah industri seperti transportasi, pemanas, penerangan, komunikasi dan komputasi. Listrik kini menjadi tulang punggung masyarakat industri modern.
Sejarah kelistrikan
Jauh sebelum ada pengetahuan tentang listrik, orang sudah tahu tentang sengatan listrik pada ikan listrik. Teks Mesir kuno yang berasal dari 2750 SM. SM, mereka menyebut ikan ini "Guntur dari Sungai Nil" dan menggambarkan mereka sebagai "pelindung" dari semua ikan lainnya. Bukti ikan listrik muncul lagi ribuan tahun kemudian dari para naturalis dan dokter Yunani kuno, Romawi dan Arab. Beberapa penulis kuno, seperti Pliny the Elder dan Scribonius Largus, bersaksi mati rasa sebagai efek sengatan listrik yang dihasilkan oleh ikan lele dan sinar listrik, dan mereka juga tahu bahwa kejutan tersebut dapat ditularkan melalui benda konduktif. Pasien yang menderita penyakit seperti asam urat atau sakit kepala diresepkan untuk menyentuh ikan tersebut dengan harapan sengatan listrik yang kuat dapat menyembuhkan mereka. Ada kemungkinan bahwa pendekatan paling awal dan paling dekat dengan penemuan identitas petir dan listrik dari sumber lain dibuat oleh orang-orang Arab, yang sampai abad ke-15 dalam bahasa tersebut menerapkan kata petir (raad) untuk sinar listrik.
Budaya kuno Mediterania tahu bahwa jika benda-benda tertentu, seperti tongkat amber, digosok dengan bulu kucing, itu akan menarik benda-benda yang lebih ringan, seperti bulu. Thales of Miletus melakukan sejumlah pengamatan listrik statis sekitar 600 SM, dari mana ia menyimpulkan bahwa gesekan diperlukan untuk membuat amber mampu menarik benda, tidak seperti mineral seperti magnetit, yang tidak memerlukan gesekan. . Thales salah dalam percaya bahwa daya tarik amber disebabkan oleh efek magnet, tetapi kemudian sains membuktikan hubungan antara magnet dan listrik. Menurut teori kontroversial yang didasarkan pada penemuan baterai Baghdad pada tahun 1936 yang menyerupai sel galvanik, meskipun tidak jelas apakah artefak itu bersifat listrik, orang Parthia mungkin telah mengetahui tentang pelapisan listrik.
Listrik terus membangkitkan tidak lebih dari keingintahuan intelektual selama ribuan tahun sampai tahun 1600, ketika ilmuwan Inggris William Gilbert membuat studi menyeluruh tentang listrik dan magnet, dan membedakan efek "magnetit" dari listrik statis yang dihasilkan dengan menggosok amber. Dia menciptakan kata Latin baru electricus ("kuning" atau "seperti kuning", dari , Elektron, dari bahasa Yunani: "kuning") untuk menunjukkan sifat benda untuk menarik benda kecil setelah digosok. Asosiasi linguistik ini memunculkan kata-kata bahasa Inggris "electric" dan "electricity", yang pertama kali muncul di media cetak dalam "Pseudodoxia Epidemica" karya Thomas Browne pada tahun 1646.
Pekerjaan lebih lanjut dilakukan oleh Otto von Guericke, Robert Boyle, Stephen Gray dan Charles Francois Dufay. Pada abad ke-18, Benjamin Franklin melakukan penelitian ekstensif tentang listrik, menjual kepemilikannya untuk membiayai pekerjaannya. Pada bulan Juni 1752, ia terkenal menempelkan kunci logam ke bagian bawah tali layang-layang dan meluncurkan layang-layang ke langit badai. Rangkaian bunga api yang meloncat dari kunci ke punggung tangan menunjukkan bahwa petir memang bersifat elektrik. Dia juga menjelaskan perilaku yang tampaknya paradoks dari tabung Leyden sebagai perangkat untuk menyimpan sejumlah besar muatan listrik dalam bentuk listrik, yang terdiri dari muatan positif dan negatif.
Pada tahun 1791, Luigi Galvani mengumumkan penemuan bioelektromagnetisme, menunjukkan bahwa listrik adalah sarana yang neuron mengirimkan sinyal ke otot. Baterai Alessandro Volta atau tiang galvanik tahun 1800-an dibuat dari lapisan seng dan tembaga yang berselang-seling. Bagi para ilmuwan, itu adalah sumber energi listrik yang lebih andal daripada mesin elektrostatik yang digunakan di masa lalu. Pengertian elektromagnetisme sebagai kesatuan fenomena listrik dan magnet dikemukakan oleh Oersted dan André-Marie Ampre pada tahun 1819-1820. Michael Faraday menemukan motor listrik pada tahun 1821 dan Georg Ohm menganalisis rangkaian listrik secara matematis pada tahun 1827. Listrik dan magnet (dan cahaya) secara definitif dihubungkan oleh James Maxwell, khususnya dalam karyanya "On Physical Lines of Force" pada tahun 1861 dan 1862.
Sementara pada awal abad ke-19 dunia menyaksikan kemajuan pesat dalam ilmu kelistrikan, pada akhir abad ke-19 kemajuan terbesar terjadi di bidang teknik elektro. Dengan bantuan orang-orang seperti Alexander Graham Bell, Otto Titus Blaty, Thomas Edison, Galileo Ferraris, Oliver Heaviside, Anjos Istvan Jedlik, William Thomson, 1st Baron Kelvin, Charles Algernon Parsons, Werner von Siemens, Joseph Wilson Swan, Reginald Fessenden , Nikola Tesla dan George Westinghouse, listrik telah berevolusi dari keingintahuan ilmiah menjadi alat yang sangat diperlukan untuk kehidupan modern, menjadi kekuatan pendorong di belakang revolusi industri kedua.
Pada tahun 1887, Heinrich Hertz menemukan bahwa elektroda yang menyala dengan sinar ultraviolet menghasilkan percikan listrik lebih mudah daripada yang tidak menyala. Pada tahun 1905, Albert Einstein menerbitkan sebuah makalah yang menjelaskan bukti eksperimental untuk efek fotolistrik sebagai akibat dari transfer energi cahaya dalam paket terkuantisasi diskrit yang mengeksitasi elektron. Penemuan ini menyebabkan revolusi kuantum. Einstein dianugerahi Hadiah Nobel dalam Fisika pada tahun 1921 untuk "penemuan hukum efek fotolistrik". Efek fotovoltaik juga digunakan dalam sel fotovoltaik seperti yang ditemukan di panel surya, dan ini sering digunakan untuk menghasilkan listrik untuk tujuan komersial.
Perangkat semikonduktor pertama adalah detektor "kumis kucing", yang pertama kali digunakan pada penerima radio pada tahun 1900-an. Kawat seperti kumis dibawa ke dalam kontak ringan dengan kristal padat (misalnya, kristal germanium) untuk mendeteksi sinyal radio melalui efek transisi kontak. Dalam node semikonduktor, arus diterapkan ke elemen semikonduktor dan koneksi yang dirancang khusus untuk beralih dan memperkuat arus. Arus listrik dapat direpresentasikan dalam dua bentuk: dalam bentuk elektron bermuatan negatif, serta kekosongan elektron bermuatan positif (elektron tidak terisi di tempat-tempat dalam atom semikonduktor), yang disebut lubang. Muatan dan lubang ini dipahami dari sudut pandang fisika kuantum. Bahan bangunan paling sering adalah semikonduktor kristal.
Perkembangan perangkat semikonduktor dimulai dengan penemuan transistor pada tahun 1947. Perangkat semikonduktor yang umum adalah transistor, chip mikroprosesor, dan chip RAM. Jenis memori khusus yang disebut memori flash digunakan dalam flash drive USB, dan baru-baru ini, hard disk drive yang berputar secara mekanis juga telah digantikan oleh solid-state drive. Perangkat semikonduktor menjadi umum pada 1950-an dan 1960-an, selama transisi dari tabung vakum ke dioda semikonduktor, transistor, sirkuit terpadu (IC), dan dioda pemancar cahaya (LED).
Konsep dasar kelistrikan
Muatan listrik
Kehadiran muatan menghasilkan gaya elektrostatik: muatan memberikan gaya satu sama lain, efek ini dikenal di zaman kuno, meskipun itu tidak dipahami. Bola ringan yang tergantung pada seutas tali dapat diisi dengan menyentuhnya dengan batang kaca, yang sebelumnya diisi dengan menggosok kain. Bola serupa yang diisi oleh batang kaca yang sama akan menolak yang pertama: muatan tersebut menyebabkan kedua bola terpisah satu sama lain. Dua bola yang bermuatan listrik dari batang kuning yang digosok juga saling tolak menolak. Namun, jika satu bola diisi dari batang kaca dan yang lainnya dari batang kuning, maka kedua bola mulai menarik satu sama lain. Fenomena ini diselidiki pada akhir abad kedelapan belas oleh Charles Augustin de Coulomb, yang menyimpulkan bahwa muatan muncul dalam dua bentuk yang berlawanan. Penemuan ini menghasilkan aksioma yang terkenal: benda-benda yang bermuatan sama akan tolak-menolak, dan benda-benda yang bermuatan berlawanan akan tarik-menarik.
Gaya bekerja pada partikel bermuatan itu sendiri, oleh karena itu muatan cenderung menyebar secara seragam mungkin di atas permukaan penghantar. Besarnya gaya elektromagnetik, apakah menarik atau menolak, ditentukan oleh hukum Coulomb, yang menyatakan bahwa gaya elektrostatik sebanding dengan produk muatan dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara mereka. Interaksi elektromagnetik sangat kuat, kekuatannya lebih rendah daripada interaksi kuat, tetapi tidak seperti yang terakhir, ia bertindak pada jarak berapa pun. Dibandingkan dengan gaya gravitasi yang jauh lebih lemah, gaya elektromagnetik mendorong dua elektron 1042 kali lebih banyak daripada gaya gravitasi yang menarik mereka.
Studi menunjukkan bahwa sumber muatan adalah jenis partikel subatomik tertentu yang memiliki sifat muatan listrik. Muatan listrik menghasilkan dan berinteraksi dengan gaya elektromagnetik, yang merupakan salah satu dari empat gaya fundamental alam. Pembawa muatan listrik yang paling terkenal adalah elektron dan proton. Percobaan menunjukkan bahwa muatan adalah kuantitas yang kekal, yaitu, muatan total di dalam sistem yang terisolasi akan selalu tetap konstan terlepas dari perubahan apa pun yang terjadi dalam sistem ini. Dalam suatu sistem, muatan dapat ditransfer antar benda baik melalui kontak langsung atau dengan transfer melalui bahan konduktif seperti kawat. Istilah informal "listrik statis" berarti adanya muatan (atau "ketidakseimbangan" muatan) pada suatu benda, biasanya disebabkan oleh bahan yang berbeda digosok satu sama lain, mentransfer muatan dari satu ke yang lain.
Muatan elektron dan proton berlawanan tanda, oleh karena itu, muatan totalnya bisa positif atau negatif. Secara konvensi, muatan yang dibawa oleh elektron dianggap negatif, dan yang dibawa oleh proton dianggap positif, mengikuti tradisi yang ditetapkan oleh karya Benjamin Franklin. Jumlah muatan (jumlah listrik) biasanya dilambangkan dengan simbol Q dan dinyatakan dalam coulomb; setiap elektron membawa muatan yang sama, kira-kira -1,6022 × 10-19 coulomb. Proton memiliki muatan yang sama nilainya dan berlawanan tanda, dan dengan demikian +1,6022 × 10-19 Coulomb. Tidak hanya materi memiliki muatan, tetapi juga antimateri, setiap antipartikel membawa muatan yang sama, tetapi berlawanan tanda dengan muatan partikel yang sesuai.
Muatan dapat diukur dengan beberapa cara: elektroskop daun emas awal, yang meskipun masih digunakan untuk demonstrasi pelatihan, sekarang digantikan oleh elektrometer elektronik.
Listrik
Pergerakan muatan listrik disebut arus listrik, intensitasnya biasanya diukur dalam ampere. Arus dapat dibuat oleh partikel bermuatan apa pun yang bergerak; paling sering ini adalah elektron, tetapi pada prinsipnya setiap muatan yang bergerak adalah arus.
Menurut konvensi historis, arus positif ditentukan oleh arah pergerakan muatan positif yang mengalir dari bagian yang lebih positif dari rangkaian ke bagian yang lebih negatif. Arus yang didefinisikan dengan cara ini disebut arus bersyarat. Salah satu bentuk arus yang paling terkenal adalah pergerakan elektron bermuatan negatif melalui suatu rangkaian, dan dengan demikian arah arus positif berorientasi pada arah yang berlawanan dengan pergerakan elektron. Namun, tergantung pada kondisinya, arus listrik dapat terdiri dari aliran partikel bermuatan yang bergerak ke segala arah, dan bahkan di kedua arah pada saat yang bersamaan. Konvensi bahwa arah positif arus adalah arah pergerakan muatan positif banyak digunakan untuk menyederhanakan situasi ini.
Proses dimana arus listrik melewati suatu bahan disebut konduksi listrik, dan sifatnya bervariasi tergantung pada partikel bermuatan yang menghantarkannya dan pada bahan yang dilaluinya. Contoh arus listrik termasuk konduksi logam, yang dilakukan oleh aliran elektron melalui konduktor seperti logam, dan elektrolisis, yang dilakukan oleh aliran ion (atom bermuatan) melalui cairan atau plasma, seperti pada bunga api listrik. Sementara partikel itu sendiri dapat bergerak sangat lambat, terkadang dengan kecepatan drift rata-rata hanya sepersekian milimeter per detik, medan listrik yang mendorongnya bergerak mendekati kecepatan cahaya, memungkinkan sinyal listrik bergerak cepat melalui kabel.
Arus menyebabkan sejumlah efek yang dapat diamati yang secara historis menjadi tanda kehadirannya. Kemungkinan penguraian air di bawah pengaruh arus dari kolom galvanik ditemukan oleh Nicholson dan Carlisle pada tahun 1800. Proses ini sekarang disebut elektrolisis. Pekerjaan mereka sangat diperluas oleh Michael Faraday pada tahun 1833. Arus yang mengalir melalui resistansi menyebabkan pemanasan lokal. Efek ini dijelaskan secara matematis oleh James Joule pada tahun 1840. Salah satu penemuan terpenting tentang arus dibuat secara kebetulan oleh Oersted pada tahun 1820, ketika, saat mempersiapkan kuliah, ia menemukan bahwa arus yang mengalir melalui kawat menyebabkan jarum kompas magnet berputar. Jadi dia menemukan elektromagnetisme, interaksi mendasar antara listrik dan magnet. Tingkat emisi elektromagnetik yang dihasilkan oleh busur listrik cukup tinggi untuk menghasilkan interferensi elektromagnetik yang dapat merusak pengoperasian peralatan yang berdekatan.Dia menemukan elektromagnetisme, interaksi mendasar antara listrik dan magnet. Tingkat emisi elektromagnetik yang dihasilkan oleh busur listrik cukup tinggi untuk menghasilkan interferensi elektromagnetik yang dapat mengganggu peralatan di dekatnya.
Untuk aplikasi teknis atau domestik, arus sering dicirikan sebagai arus searah (DC) atau bolak-balik (AC). Istilah-istilah ini mengacu pada bagaimana perubahan saat ini dari waktu ke waktu. Arus searah yang dihasilkan oleh baterai, misalnya, dan dibutuhkan oleh sebagian besar perangkat elektronik, adalah aliran searah dari potensial positif rangkaian ke negatif. Jika aliran ini, yang lebih sering terjadi, dibawa oleh elektron, mereka akan bergerak ke arah yang berlawanan. Arus bolak-balik adalah arus yang terus menerus berubah arah, hampir selalu dalam bentuk sinusoidal. Arus bolak-balik berdenyut bolak-balik di dalam konduktor tanpa memindahkan muatan dalam jarak yang terbatas dalam jangka waktu yang lama. Nilai rata-rata waktu dari arus bolak-balik adalah nol, tetapi ia memberikan energi pertama-tama dalam satu arah dan kemudian dalam arah yang berlawanan. Arus bolak-balik tergantung pada sifat listrik yang tidak memanifestasikan dirinya dalam mode stasioner arus searah, misalnya, pada induktansi dan kapasitansi. Sifat-sifat ini, bagaimanapun, mungkin ikut bermain ketika rangkaian mengalami transien, seperti selama power up awal.
Medan listrik
Konsep medan listrik diperkenalkan oleh Michael Faraday. Medan listrik dibuat oleh benda bermuatan di ruang yang mengelilingi benda dan menghasilkan gaya yang bekerja pada muatan lain yang terletak di medan. Medan listrik bekerja di antara dua muatan yang serupa dengan medan gravitasi antara dua massa, dan juga meluas hingga tak terhingga dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara benda-benda tersebut. Namun, ada perbedaan yang signifikan. Gravitasi selalu menarik, menyebabkan dua massa bergabung bersama, sementara medan listrik dapat menghasilkan gaya tarik-menarik atau tolak-menolak. Karena benda besar seperti planet secara keseluruhan memiliki muatan bersih nol, medan listriknya pada jarak biasanya nol. Dengan demikian, gravitasi adalah gaya dominan pada jarak yang jauh di alam semesta, meskipun faktanya gravitasi itu sendiri jauh lebih lemah.
Medan listrik, sebagai suatu peraturan, berbeda pada titik yang berbeda dalam ruang, dan kekuatannya pada setiap titik didefinisikan sebagai gaya (per satuan muatan) yang akan dialami oleh muatan yang tidak bergerak dan dapat diabaikan jika ditempatkan pada titik tersebut. Muatan abstrak, yang disebut "muatan uji", harus bernilai dapat diabaikan sehingga medan listriknya sendiri yang mengganggu medan utama dapat diabaikan, dan juga harus stasioner (tidak bergerak) untuk mencegah pengaruh medan magnet. Karena medan listrik didefinisikan dalam istilah gaya, dan gaya adalah vektor, maka medan listrik juga merupakan vektor, yang memiliki besar dan arah. Lebih khusus lagi, medan listrik adalah medan vektor.
Doktrin medan listrik yang diciptakan oleh muatan stasioner disebut elektrostatika. Bidang dapat divisualisasikan menggunakan serangkaian garis imajiner, yang arahnya pada titik mana pun dalam ruang bertepatan dengan arah bidang. Konsep ini diperkenalkan oleh Faraday, dan istilah "garis gaya" masih kadang-kadang ditemui. Garis medan adalah lintasan di mana muatan positif titik akan bergerak di bawah pengaruh medan. Namun, mereka adalah abstrak, bukan objek fisik, dan bidang menembus semua ruang perantara di antara garis. Garis medan yang berasal dari muatan stasioner memiliki beberapa sifat utama: pertama, garis tersebut dimulai dengan muatan positif dan berakhir dengan muatan negatif; kedua, mereka harus memasuki setiap konduktor ideal di sudut kanan (normal), dan ketiga, mereka tidak pernah berpotongan dan menutup diri.
Sebuah benda konduktor berongga berisi semua muatannya pada permukaan luarnya. Oleh karena itu, medannya sama dengan nol di semua tempat di dalam tubuh. Sangkar Faraday bekerja berdasarkan prinsip ini - cangkang logam yang mengisolasi ruang internalnya dari pengaruh listrik eksternal.
Prinsip-prinsip elektrostatik penting dalam desain elemen peralatan tegangan tinggi. Ada batas terbatas untuk kekuatan medan listrik yang dapat ditopang oleh bahan apa pun. Di atas nilai ini, terjadi gangguan listrik, yang menyebabkan busur listrik di antara bagian-bagian yang bermuatan. Misalnya, di udara, gangguan listrik terjadi pada celah kecil dengan kuat medan listrik melebihi 30 kV per sentimeter. Dengan bertambahnya celah, kekuatan tembus ultimit berkurang menjadi kira-kira 1 kV per sentimeter. Fenomena alam yang paling menonjol adalah petir. Itu terjadi ketika muatan dipisahkan di awan oleh kolom udara yang naik, dan medan listrik di udara mulai melebihi nilai kerusakan. Tegangan petir besar dapat mencapai 100 MV dan memiliki nilai energi debit 250 kWh.
Besarnya kekuatan medan sangat dipengaruhi oleh benda konduktif di dekatnya, dan kekuatannya sangat tinggi ketika medan harus dibelokkan di sekitar benda runcing. Prinsip ini digunakan dalam penangkal petir, yang menara tajamnya memaksa petir untuk mengalir ke dalamnya daripada ke bangunan yang dilindunginya.
Potensial listrik
Konsep potensial listrik erat kaitannya dengan medan listrik. Muatan kecil yang ditempatkan dalam medan listrik mengalami gaya, dan untuk memindahkan muatan melawan gaya ini, diperlukan usaha. Potensial listrik pada setiap titik didefinisikan sebagai energi yang dibutuhkan untuk memindahkan muatan uji unit dengan sangat lambat dari tak terhingga ke titik tersebut. Potensi biasanya diukur dalam volt, dan potensial satu volt adalah potensi di mana satu joule kerja harus dikeluarkan untuk memindahkan satu coulomb muatan dari tak terhingga. Definisi formal potensial ini tidak banyak digunakan secara praktis, dan yang lebih berguna adalah konsep perbedaan potensial listrik, yaitu energi yang diperlukan untuk memindahkan satu unit muatan antara dua titik tertentu. Medan listrik memiliki satu ciri, yaitu konservatif, yang berarti bahwa lintasan yang ditempuh oleh muatan uji tidak menjadi masalah: lintasan semua lintasan yang mungkin antara dua titik yang diberikan akan selalu mengambil energi yang sama, dan dengan demikian ada nilai tunggal beda potensial antara dua posisi. Volt telah menjadi begitu kokoh sebagai unit pengukuran dan deskripsi perbedaan potensial listrik sehingga istilah tegangan digunakan secara luas dan sehari-hari.
Untuk tujuan praktis, akan berguna untuk menentukan titik acuan umum yang dengannya potensial dapat diekspresikan dan dibandingkan. Meskipun mungkin tak terhingga, jauh lebih praktis untuk menggunakan Bumi itu sendiri sebagai potensial nol, yang dianggap memiliki potensi yang sama di semua tempat. Titik acuan ini tentu saja disebut sebagai “tanah” (ground). Bumi adalah sumber tak terbatas dari jumlah muatan positif dan negatif yang sama dan oleh karena itu netral secara listrik dan tidak dapat diisi.
Potensial listrik merupakan besaran skalar, yaitu hanya memiliki nilai dan tidak memiliki arah. Hal ini dapat dianalogikan dengan ketinggian: seperti halnya benda yang dilepaskan akan jatuh karena perbedaan ketinggian yang disebabkan oleh medan gravitasi, demikian pula muatan akan "jatuh" karena tegangan yang disebabkan oleh medan listrik. Sama seperti peta yang menggambarkan medan melalui garis kontur yang menghubungkan titik-titik dengan ketinggian yang sama, serangkaian garis yang menghubungkan titik-titik dengan potensial yang sama (dikenal sebagai ekuipotensial) dapat ditarik di sekitar objek bermuatan elektrostatis. Ekipotensial memotong semua garis gaya pada sudut siku-siku. Mereka juga harus terletak sejajar dengan permukaan konduktor, jika tidak, gaya akan dihasilkan yang menggerakkan pembawa muatan di sepanjang permukaan ekuipotensial konduktor.
Medan listrik secara formal didefinisikan sebagai gaya yang diberikan per satuan muatan, tetapi konsep potensial memberikan definisi yang lebih berguna dan setara: medan listrik adalah gradien potensial listrik lokal. Sebagai aturan, itu dinyatakan dalam volt per meter, dan arah vektor medan adalah garis perubahan potensial terbesar, yaitu, ke arah lokasi terdekat dari ekuipotensial lain.
elektromagnet
Penemuan Oersted pada tahun 1821 tentang fakta bahwa medan magnet ada di sekitar semua sisi kawat yang membawa arus listrik menunjukkan bahwa ada hubungan langsung antara listrik dan magnet. Apalagi interaksinya tampak berbeda dari gaya gravitasi dan gaya elektrostatik, dua gaya alam yang kemudian dikenal. Gaya bekerja pada jarum kompas, tidak mengarahkannya menuju atau menjauh dari kawat pembawa arus, tetapi bekerja pada sudut yang tepat terhadapnya. Dengan kata-kata yang agak kabur "konflik listrik memiliki perilaku berputar" Oersted mengungkapkan pengamatannya. Gaya ini juga bergantung pada arah arus, karena jika arus berubah arah, maka gaya magnet juga berubah.
Oersted tidak sepenuhnya memahami penemuannya, tetapi efek yang dia amati adalah timbal balik: arus memberikan gaya pada magnet, dan medan magnet memberikan gaya pada arus. Fenomena ini dipelajari lebih lanjut oleh Ampère, yang menemukan bahwa dua kabel paralel yang membawa arus memberikan gaya satu sama lain: dua kabel yang membawa arus dalam arah yang sama akan saling tarik-menarik, sedangkan kabel yang berisi arus dalam arah yang berlawanan akan saling tolak. . Interaksi ini terjadi melalui medan magnet yang diciptakan oleh setiap arus, dan atas dasar fenomena ini, satuan arus ditentukan - Ampere dalam sistem satuan internasional.
Hubungan antara medan magnet dan arus ini sangat penting karena menyebabkan penemuan motor listrik oleh Michael Faraday pada tahun 1821. Motor unipolarnya terdiri dari magnet permanen yang ditempatkan di bejana berisi air raksa. Arus dilewatkan melalui kawat yang tergantung pada suspensi berengsel di atas magnet dan direndam dalam air raksa. Magnet memberikan gaya tangensial pada kawat, yang menyebabkan kawat berputar di sekitar magnet selama arus dipertahankan dalam kawat.
Percobaan yang dilakukan oleh Faraday pada tahun 1831 menunjukkan bahwa kawat yang bergerak tegak lurus terhadap medan magnet menciptakan perbedaan potensial di ujungnya. Analisis lebih lanjut dari proses ini, yang dikenal sebagai induksi elektromagnetik, memungkinkannya untuk merumuskan prinsip, yang sekarang dikenal sebagai hukum induksi Faraday, bahwa perbedaan potensial yang diinduksi dalam rangkaian tertutup sebanding dengan laju perubahan fluks magnet yang menembus rangkaian. Perkembangan penemuan ini memungkinkan Faraday untuk menemukan generator listrik pertama, pada tahun 1831, yang mengubah energi mekanik dari piringan tembaga yang berputar menjadi energi listrik. Piringan Faraday tidak efisien dan tidak digunakan sebagai generator praktis, tetapi menunjukkan kemungkinan menghasilkan listrik menggunakan magnet, dan kemungkinan ini diambil oleh mereka yang mengikuti perkembangannya.
Kemampuan reaksi kimia untuk menghasilkan listrik, dan, sebaliknya, kemampuan listrik untuk menghasilkan reaksi kimia memiliki berbagai aplikasi.
Elektrokimia selalu menjadi bagian penting dari studi listrik. Dari penemuan asli kolom volta, sel galvanik telah berkembang menjadi berbagai jenis baterai, sel galvanik dan elektrolit. Aluminium diproduksi dalam jumlah besar melalui elektrolisis, dan banyak perangkat elektronik portabel menggunakan sumber daya yang dapat diisi ulang.
Rangkaian listrik
Sirkuit listrik adalah koneksi komponen listrik sedemikian rupa sehingga muatan listrik yang dipaksa melewati jalur tertutup (sirkuit) biasanya melakukan sejumlah tugas yang berguna.
Komponen dalam rangkaian listrik dapat mengambil banyak bentuk, bertindak sebagai elemen seperti resistor, kapasitor, sakelar, transformator, dan komponen elektronik. Sirkuit elektronik mengandung komponen aktif, seperti semikonduktor, yang biasanya beroperasi secara non-linear dan memerlukan analisis kompleks untuk diterapkan padanya. Komponen listrik yang paling sederhana adalah apa yang disebut pasif dan linier: meskipun mereka dapat menyimpan energi sementara, mereka tidak mengandung sumber apa pun dan beroperasi secara linier.
Sebuah resistor mungkin yang paling sederhana dari elemen rangkaian pasif: seperti namanya, resistor ini menahan arus yang mengalir melaluinya, menghilangkan energi listrik sebagai panas. Perlawanan adalah konsekuensi dari pergerakan muatan melalui konduktor: dalam logam, misalnya, resistensi terutama disebabkan oleh tumbukan elektron dan ion. Hukum Ohm adalah hukum dasar teori rangkaian dan menyatakan bahwa arus yang melewati suatu hambatan berbanding lurus dengan beda potensial yang melintasinya. Resistansi sebagian besar bahan relatif konstan pada berbagai suhu dan arus; bahan yang memenuhi kondisi ini dikenal sebagai "ohmik". Ohm adalah satuan hambatan yang dinamai Georg Ohm dan dilambangkan dengan huruf Yunani . 1 ohm adalah resistansi yang menciptakan beda potensial satu volt ketika arus satu ampere melewatinya.
Kapasitor adalah upgrade dari tabung Leyden dan merupakan perangkat yang dapat menyimpan muatan dan dengan demikian mengakumulasi energi listrik di bidang yang dihasilkan. Ini terdiri dari dua pelat konduktif yang dipisahkan oleh lapisan dielektrik isolasi tipis; dalam praktiknya, ini adalah sepasang strip tipis foil logam yang digulung bersama untuk meningkatkan luas permukaan per satuan volume, dan karenanya kapasitansi. Satuan kapasitansi adalah farad, dinamai Michael Faraday dan dilambangkan dengan simbol F: satu farad adalah kapasitansi yang menciptakan beda potensial satu volt ketika menyimpan muatan satu coulomb. Arus pertama mengalir melalui kapasitor yang terhubung ke sumber daya, karena muatan terakumulasi dalam kapasitor; Namun, arus ini akan berkurang saat kapasitor diisi, dan akhirnya menjadi nol. Oleh karena itu kapasitor tidak melewatkan arus searah, tetapi memblokirnya.
Induktansi adalah konduktor, biasanya kumparan kawat, yang menyimpan energi dalam medan magnet yang dihasilkan ketika arus melewatinya. Ketika arus berubah, medan magnet juga berubah, menciptakan tegangan di antara ujung-ujung konduktor. Tegangan induksi sebanding dengan laju perubahan arus. Koefisien proporsionalitas disebut induktansi. Unit induktansi adalah henry, dinamai Joseph Henry, kontemporer Faraday. Induktansi satu henry adalah induktansi yang menyebabkan beda potensial sebesar satu volt pada laju perubahan arus yang melaluinya sebesar satu ampere per detik. Perilaku induktor adalah kebalikan dari kapasitor: ia akan dengan bebas melewatkan arus searah dan memblokir arus yang berubah dengan cepat.
Tenaga listrik
Daya listrik adalah tingkat di mana energi listrik ditransfer oleh sirkuit listrik. Satuan SI untuk daya adalah watt, sama dengan satu joule per detik.
Daya listrik, seperti daya mekanik, adalah kecepatan kerja yang dilakukan, diukur dalam watt dan dilambangkan dengan huruf P. Istilah konsumsi daya, yang digunakan dalam bahasa sehari-hari, berarti "daya listrik dalam watt". Daya listrik dalam watt yang dihasilkan oleh arus listrik I sama dengan lewatnya muatan Q coulomb setiap t detik melalui beda potensial listrik (tegangan) V adalah
P = QV/t = IV
- Q - muatan listrik dalam coulomb
- t - waktu dalam detik
- I - arus listrik dalam ampere
- V - potensial listrik atau tegangan dalam volt
Pembangkit listrik sering dihasilkan oleh generator listrik, tetapi juga dapat dihasilkan oleh sumber kimia seperti baterai listrik atau dengan cara lain menggunakan berbagai macam sumber energi. Tenaga listrik biasanya dipasok ke bisnis dan rumah oleh utilitas listrik. Listrik biasanya ditagih per kilowatt-jam (3,6 MJ), yang merupakan daya yang dihasilkan dalam kilowatt dikalikan dengan waktu berjalan dalam jam. Dalam industri tenaga listrik, pengukuran daya dilakukan dengan menggunakan meteran listrik, yang mengingat jumlah total energi listrik yang diberikan kepada klien. Tidak seperti bahan bakar fosil, listrik adalah bentuk energi dengan entropi rendah dan dapat diubah menjadi energi gerak atau banyak jenis energi lainnya dengan efisiensi tinggi.
Elektronik
Elektronik berkaitan dengan sirkuit listrik, yang mencakup komponen listrik aktif seperti tabung vakum, transistor, dioda, dan sirkuit terpadu, dan elemen pasif dan switching yang terkait. Perilaku non-linier komponen aktif dan kemampuannya untuk mengontrol aliran elektron memungkinkan penguatan sinyal lemah dan meluasnya penggunaan elektronik dalam pemrosesan informasi, telekomunikasi, dan pemrosesan sinyal. Kemampuan perangkat elektronik untuk bertindak sebagai sakelar memungkinkan pemrosesan informasi digital. Elemen switching seperti papan sirkuit tercetak, teknologi pengemasan, dan berbagai bentuk infrastruktur komunikasi lainnya melengkapi fungsionalitas sirkuit dan mengubah komponen yang berbeda menjadi sistem kerja normal.
Saat ini, sebagian besar perangkat elektronik menggunakan komponen semikonduktor untuk menerapkan kontrol elektronik. Studi tentang perangkat semikonduktor dan teknologi terkait dianggap sebagai cabang fisika keadaan padat, sedangkan desain dan konstruksi sirkuit elektronik untuk memecahkan masalah praktis termasuk dalam bidang elektronik.
Gelombang elektromagnetik
Karya Faraday dan Ampere menunjukkan bahwa medan magnet yang berubah terhadap waktu menghasilkan medan listrik, dan medan listrik yang berubah terhadap waktu adalah sumber medan magnet. Jadi, ketika satu bidang berubah dari waktu ke waktu, bidang lain selalu diinduksi. Fenomena seperti itu memiliki sifat gelombang dan secara alami disebut gelombang elektromagnetik. Gelombang elektromagnetik secara teoritis dianalisis oleh James Maxwell pada tahun 1864. Maxwell mengembangkan seperangkat persamaan yang dapat dengan jelas menggambarkan hubungan antara medan listrik, medan magnet, muatan listrik, dan arus listrik. Dia juga mampu membuktikan bahwa gelombang seperti itu harus merambat dengan kecepatan cahaya, dan dengan demikian cahaya itu sendiri adalah bentuk radiasi elektromagnetik. Perkembangan hukum Maxwell, yang menggabungkan cahaya, medan, dan muatan, adalah salah satu tahap terpenting dalam sejarah fisika teoretis.
Dengan demikian, pekerjaan banyak peneliti telah memungkinkan untuk menggunakan elektronik untuk mengubah sinyal menjadi arus osilasi frekuensi tinggi, dan melalui konduktor berbentuk sesuai, listrik memungkinkan sinyal ini untuk ditransmisikan dan diterima melalui gelombang radio jarak yang sangat jauh.
Produksi dan penggunaan energi listrik
Pembangkitan dan transmisi arus listrik
Pada abad ke-6 SM e. Filsuf Yunani Thales dari Miletus bereksperimen dengan batang kuning, dan eksperimen ini adalah studi pertama di bidang produksi energi listrik. Meskipun metode ini, yang sekarang dikenal sebagai efek triboelektrik, hanya dapat mengangkat benda-benda ringan dan menghasilkan percikan api, itu sangat tidak efisien. Dengan penemuan kutub volta pada abad kedelapan belas, sumber listrik yang layak menjadi tersedia. Kolom volta dan turunan modernnya, baterai listrik, menyimpan energi dalam bentuk kimia dan melepaskannya sebagai energi listrik sesuai permintaan. Baterai adalah sumber daya serbaguna dan sangat umum yang ideal untuk banyak aplikasi, tetapi energi yang tersimpan di dalamnya terbatas dan setelah habis, baterai harus dibuang atau diisi ulang. Untuk kebutuhan yang besar, energi listrik harus dibangkitkan dan ditransmisikan secara terus menerus melalui saluran listrik yang konduktif.
Listrik biasanya dihasilkan oleh generator elektromekanis yang digerakkan oleh uap dari pembakaran bahan bakar fosil atau panas dari reaksi nuklir; atau dari sumber lain seperti energi kinetik yang diekstraksi dari angin atau air yang mengalir. Turbin uap modern, yang dikembangkan oleh Sir Charles Parsons pada tahun 1884, saat ini menghasilkan sekitar 80 persen listrik dunia menggunakan berbagai sumber panas. Osilator tersebut tidak memiliki kemiripan dengan osilator disk unipolar Faraday tahun 1831, tetapi mereka masih mengandalkan prinsip elektromagnetiknya, yang menyatakan bahwa konduktor, dengan saling mengunci dengan medan magnet yang berubah, menginduksi perbedaan potensial pada ujungnya. Penemuan transformator pada akhir abad ke-19 berarti bahwa energi listrik dapat ditransfer lebih efisien pada tegangan yang lebih tinggi tetapi arus yang lebih rendah. Transmisi listrik yang efisien berarti, pada gilirannya, listrik dapat dihasilkan di pembangkit listrik terpusat, mendapat manfaat dari skala ekonomi, dan kemudian ditransmisikan melalui jarak yang relatif jauh ke tempat yang dibutuhkan.
Karena energi listrik tidak dapat dengan mudah disimpan dalam jumlah yang cukup untuk memenuhi kebutuhan dalam skala nasional, maka harus diproduksi setiap saat sebanyak yang dibutuhkan saat ini. Ini mengharuskan utilitas untuk memprediksi beban listrik mereka dengan hati-hati dan terus-menerus mengoordinasikan data ini dengan pembangkit listrik. Sejumlah kapasitas pembangkit harus selalu disimpan sebagai cadangan sebagai jaring pengaman untuk jaringan listrik jika terjadi peningkatan tajam dalam permintaan listrik.
Permintaan akan listrik tumbuh dengan pesat seiring dengan modernisasi dan perkembangan ekonomi negara tersebut. Amerika Serikat mengalami pertumbuhan permintaan 12 persen selama tiga dekade pertama abad ke-20 setiap tahun. Tingkat pertumbuhan ini saat ini terlihat di negara berkembang seperti India atau Cina. Secara historis, tingkat pertumbuhan permintaan listrik telah melampaui tingkat pertumbuhan permintaan jenis energi lainnya.
Isu lingkungan yang terkait dengan pembangkit listrik telah menyebabkan peningkatan perhatian pada pembangkit listrik dari sumber terbarukan, khususnya pembangkit listrik tenaga angin dan tenaga air. Sementara orang dapat mengharapkan perdebatan lanjutan tentang dampak lingkungan dari berbagai cara menghasilkan listrik, bentuk akhirnya relatif bersih.
Cara menggunakan listrik
Transmisi listrik adalah cara yang sangat nyaman untuk mentransmisikan energi, dan telah disesuaikan dengan jumlah aplikasi yang besar dan terus bertambah. Penemuan bola lampu pijar praktis pada tahun 1870-an menyebabkan penerangan menjadi salah satu penggunaan listrik pertama yang tersedia secara massal. Meskipun elektrifikasi datang dengan risikonya sendiri, penggantian penerangan gas api terbuka sangat mengurangi bahaya kebakaran di dalam rumah dan pabrik. Utilitas umum telah didirikan di banyak kota untuk memenuhi pasar penerangan listrik yang berkembang.
Efek resistif pemanasan Joule digunakan dalam filamen lampu pijar dan juga menemukan aplikasi yang lebih langsung dalam sistem pemanas listrik. Meskipun metode pemanasan ini serbaguna dan dapat dikontrol, dapat dianggap boros, karena sebagian besar metode pembangkit listrik sudah memerlukan produksi energi panas di pembangkit listrik. Sejumlah negara, seperti Denmark, telah mengeluarkan undang-undang yang membatasi atau melarang penggunaan pemanas listrik resistif di gedung-gedung baru. Listrik, bagaimanapun, masih merupakan sumber energi yang sangat praktis untuk pemanasan dan pendinginan, dengan AC atau pompa panas mewakili sektor permintaan yang meningkat untuk pemanasan dan pendinginan listrik, konsekuensi dari utilitas yang semakin diperlukan untuk mempertimbangkan.
Listrik digunakan dalam telekomunikasi, dan sebenarnya telegraf listrik, yang didemonstrasikan secara komersial pada tahun 1837 oleh Cook dan Wheatstone, adalah salah satu aplikasi telekomunikasi listrik paling awal. Dengan pembangunan sistem telegraf antarbenua pertama, dan kemudian transatlantik, pada tahun 1860-an, listrik memungkinkan untuk berkomunikasi dalam beberapa menit dengan seluruh dunia. Serat optik dan komunikasi satelit telah mengambil bagian dari pasar komunikasi, tetapi listrik diperkirakan akan tetap menjadi bagian penting dari proses ini.
Penggunaan paling jelas dari efek elektromagnetisme terjadi pada motor listrik, yang merupakan sarana penggerak yang bersih dan efisien. Motor stasioner, seperti winch, mudah untuk memberikan daya, tetapi motor untuk aplikasi bergerak, seperti kendaraan listrik, perlu memindahkan catu daya seperti baterai dengannya atau mengumpulkan arus dengan kontak geser yang dikenal sebagai pantograf.
Perangkat elektronik menggunakan transistor, mungkin salah satu penemuan terpenting abad ke-20, yang merupakan blok bangunan fundamental dari semua sirkuit modern. Sirkuit terintegrasi modern dapat berisi beberapa miliar transistor mini di area hanya beberapa sentimeter persegi.
Listrik juga digunakan sebagai sumber bahan bakar untuk transportasi umum, termasuk bus listrik dan kereta api.
Efek listrik pada organisme hidup
Efek arus listrik pada tubuh manusia
Tegangan yang diterapkan pada tubuh manusia menyebabkan arus listrik mengalir melalui jaringan, dan meskipun hubungan ini tidak linier, semakin banyak tegangan yang diberikan, semakin banyak arus yang diinduksinya. Ambang persepsi bervariasi tergantung pada frekuensi suplai dan lokasi aliran arus, kira-kira 0,1 mA hingga 1 mA untuk listrik frekuensi utama, meskipun arus sekecil satu mikroampere dapat dideteksi sebagai efek getaran listrik pada kondisi tertentu. kondisi. Jika arusnya cukup besar, dapat menyebabkan kontraksi otot, aritmia jantung, dan luka bakar jaringan. Tidak adanya indikasi yang terlihat bahwa konduktor hidup membuat listrik sangat berbahaya. Rasa sakit yang disebabkan oleh sengatan listrik bisa sangat hebat, menyebabkan listrik terkadang digunakan sebagai metode penyiksaan. Hukuman mati yang dilakukan dengan cara disetrum listrik disebut eksekusi di kursi listrik (electrocution). Sengatan listrik masih merupakan bentuk hukuman yudisial di beberapa negara, meskipun penggunaannya semakin jarang akhir-akhir ini.
Fenomena listrik di alam
Listrik bukanlah penemuan manusia, ia dapat diamati dalam beberapa bentuk di alam, salah satu manifestasinya yang menonjol adalah kilat. Banyak interaksi yang akrab pada tingkat makroskopik, seperti sentuhan, gesekan, atau ikatan kimia, disebabkan oleh interaksi antara medan listrik pada tingkat atom. Medan magnet bumi diyakini karena produksi alami dari arus yang bersirkulasi di inti planet. Beberapa kristal, seperti kuarsa, atau bahkan gula, mampu menciptakan perbedaan potensial di seluruh permukaannya ketika dikenai tekanan eksternal. Fenomena ini, yang dikenal sebagai piezoelektrik, dari bahasa Yunani piezein (πιέζειν), yang berarti "menekan", ditemukan pada tahun 1880 oleh Pierre dan Jacques Curie. Efek ini reversibel, dan ketika bahan piezoelektrik dikenai medan listrik, ada sedikit perubahan dalam dimensi fisiknya.
Beberapa organisme, seperti hiu, mampu mendeteksi dan merespons perubahan medan listrik, kemampuan yang dikenal sebagai electroreception. Pada saat yang sama, organisme lain, yang disebut elektrogenik, mampu menghasilkan tegangan sendiri, yang berfungsi sebagai senjata pertahanan atau pemangsa. Ikan dari ordo hymniformes, yang belut listriknya adalah anggota yang paling terkenal, dapat mendeteksi atau menyetrum mangsanya menggunakan tegangan tinggi yang dihasilkan oleh sel otot bermutasi yang disebut elektrosit. Semua hewan mengirimkan informasi melintasi membran sel dengan impuls tegangan yang disebut potensial aksi, yang berfungsi untuk menyediakan sistem saraf dengan hubungan antara neuron dan otot. Sengatan listrik merangsang sistem ini dan menyebabkan kontraksi otot. Potensial aksi juga bertanggung jawab untuk mengkoordinasikan aktivitas tumbuhan tertentu.
Pada tahun 1850, William Gladstone bertanya kepada ilmuwan Michael Faraday berapa nilai listrik. Faraday menjawab, "Suatu hari, Tuan, Anda akan dapat mengenakan pajak padanya."
Selama abad ke-19 dan awal abad ke-20, listrik bukanlah bagian dari kehidupan sehari-hari banyak orang, bahkan di dunia industri barat. Oleh karena itu, budaya populer pada waktu itu sering menggambarkannya sebagai kekuatan misterius, kekuatan magis yang dapat membunuh yang hidup, membangkitkan yang mati, atau mengubah hukum alam. Pandangan ini mulai berkuasa dengan eksperimen Galvani pada tahun 1771, di mana kaki katak mati terlihat berkedut ketika listrik hewan diterapkan. "Kebangkitan kembali" atau resusitasi orang yang tampaknya mati atau tenggelam dilaporkan dalam literatur medis tak lama setelah pekerjaan Galvani. Laporan-laporan ini diketahui Mary Shelley ketika dia mulai menulis Frankenstein (1819), meskipun dia tidak menunjukkan metode seperti itu untuk menghidupkan monster itu. Menghidupkan kembali monster dengan listrik menjadi topik hangat di film-film horor nanti.
Ketika keakraban publik dengan listrik semakin dalam sebagai sumber kehidupan dari revolusi industri kedua, pemiliknya lebih sering ditunjukkan secara positif, seperti tukang listrik, tentang siapa dikatakan "kematian melalui sarung tangan, jari-jari mereka menenun kabel" dalam puisi Rudyard Kipling tahun 1907 tahun "Putra Marta". Berbagai kendaraan bertenaga listrik menonjol dalam kisah petualangan Jules Verne dan Tom Swift. Profesional listrik, baik fiksi atau nyata - termasuk ilmuwan seperti Thomas Edison, Charles Steinmetz atau Nikola Tesla - secara luas dianggap sebagai penyihir dengan kekuatan magis.
Ketika listrik tidak lagi menjadi hal baru dan menjadi kebutuhan dalam kehidupan sehari-hari pada paruh kedua abad ke-20, listrik mendapat perhatian khusus dari budaya populer hanya ketika berhenti mengalir, yang merupakan peristiwa yang biasanya menandakan bencana. . Orang-orang yang mendukung entrinya, seperti pahlawan yang tidak disebutkan namanya dari Wichita Fixer (1968) karya Jimmy Webb, semakin ditampilkan sebagai karakter heroik dan magis.
Sebelum melanjutkan dengan pekerjaan yang berhubungan dengan listrik, perlu untuk "memahami" sedikit secara teoritis dalam hal ini. Sederhananya, listrik biasanya mengacu pada pergerakan elektron di bawah pengaruh medan elektromagnetik. Hal utama adalah memahami bahwa listrik adalah energi partikel bermuatan terkecil yang bergerak di dalam konduktor ke arah tertentu.
DC praktis tidak mengubah arah dan besarnya dalam waktu. Katakanlah dalam baterai konvensional ada arus searah. Maka muatan akan mengalir dari minus ke plus, tidak berubah hingga habis.
Arus bolak-balik- ini adalah arus yang berubah arah dan besarnya dengan periodisitas tertentu.
Pikirkan arus sebagai aliran air yang mengalir melalui pipa. Setelah jangka waktu tertentu (misalnya, 5 detik), air akan mengalir ke satu arah, lalu ke arah lain. Dengan arus, ini terjadi lebih cepat - 50 kali per detik (frekuensi 50 Hz). Selama satu periode osilasi, arus naik hingga maksimum, kemudian melewati nol, dan kemudian terjadi proses sebaliknya, tetapi dengan tanda yang berbeda. Ketika ditanya mengapa ini terjadi dan mengapa diperlukan arus seperti itu, dapat dijawab bahwa menerima dan mentransmisikan arus bolak-balik jauh lebih mudah daripada arus searah.
Menerima dan mentransmisikan arus bolak-balik terkait erat dengan perangkat seperti transformator. Sebuah generator yang menghasilkan arus bolak-balik jauh lebih sederhana dalam desain daripada generator arus searah. Selain itu, arus bolak-balik paling cocok untuk transmisi daya jarak jauh. Dengan itu, lebih sedikit energi yang terbuang.
Dengan bantuan trafo (alat khusus berupa kumparan), arus bolak-balik diubah dari tegangan rendah ke tegangan tinggi dan sebaliknya, seperti yang ditunjukkan pada ilustrasi. Karena alasan inilah sebagian besar perangkat beroperasi pada jaringan di mana arus bolak-balik. Namun, arus searah juga digunakan cukup luas - di semua jenis baterai, di industri kimia dan di beberapa area lainnya.
Banyak yang telah mendengar kata-kata misterius seperti satu fase, tiga fase, nol, tanah atau bumi, dan mereka tahu bahwa ini adalah konsep penting dalam dunia kelistrikan. Namun, tidak semua orang mengerti apa yang mereka maksud dan apa hubungannya dengan realitas di sekitarnya. Namun, itu wajib untuk diketahui. Tanpa membahas detail teknis yang tidak diperlukan oleh master rumah, kita dapat mengatakan bahwa jaringan tiga fase adalah metode mentransmisikan arus listrik ketika arus bolak-balik mengalir melalui tiga kabel dan kembali satu per satu. Hal di atas perlu beberapa klarifikasi. Setiap sirkuit listrik terdiri dari dua kabel. Satu per satu, arus mengalir ke konsumen (misalnya, ke ketel), dan di sisi lain ia kembali. Jika sirkuit seperti itu dibuka, maka arus tidak akan mengalir. Itulah gambaran keseluruhan dari rangkaian satu fasa.
Kawat tempat arus mengalir disebut fase, atau fase sederhana, dan melaluinya kembali - nol, atau nol. Sirkuit tiga fase terdiri dari tiga kabel fase dan satu kembali. Ini dimungkinkan karena fase arus bolak-balik di masing-masing dari tiga kabel digeser sehubungan dengan yang tetangga sebesar 120 ° C. Buku teks tentang elektromekanika akan membantu menjawab pertanyaan ini secara lebih rinci. Transmisi arus bolak-balik terjadi tepat dengan bantuan jaringan tiga fase. Ini menguntungkan secara ekonomi - dua kabel netral lagi tidak diperlukan.
Mendekati konsumen, arus dibagi menjadi tiga fase, dan masing-masing diberi nol. Jadi dia masuk ke apartemen dan rumah. Meskipun terkadang jaringan tiga fase dibawa langsung ke rumah. Sebagai aturan, kita berbicara tentang sektor swasta, dan keadaan ini memiliki pro dan kontra. Ini akan dibahas nanti. Bumi, atau, lebih tepatnya, pentanahan, adalah kabel ketiga dalam jaringan fase tunggal. Intinya, itu tidak membawa beban kerja, tetapi berfungsi sebagai semacam sumbu. Hal ini dapat dijelaskan dengan sebuah contoh. Jika listrik tidak terkendali (misalnya, korsleting), ada risiko kebakaran atau sengatan listrik. Untuk mencegah hal ini terjadi (yaitu, nilai saat ini tidak boleh melebihi tingkat yang aman bagi manusia dan perangkat), pembumian diperkenalkan. Melalui kawat ini, kelebihan listrik benar-benar masuk ke dalam tanah.
Satu lagi contoh. Katakanlah kerusakan kecil terjadi dalam pengoperasian motor listrik mesin cuci dan sebagian arus listrik jatuh pada cangkang logam luar perangkat. Jika tidak ada ground, muatan ini akan berkeliaran di sekitar mesin cuci. Ketika seseorang menyentuhnya, dia akan langsung menjadi outlet paling nyaman untuk energi ini, yaitu, dia akan menerima sengatan listrik. Jika ada kabel arde dalam situasi ini, kelebihan muatan akan mengalir melaluinya tanpa merugikan siapa pun. Selain itu, kita dapat mengatakan bahwa konduktor netral juga dapat diarde dan, pada prinsipnya, memang demikian, tetapi hanya di pembangkit listrik. Situasi ketika tidak ada landasan di rumah tidak aman. Cara mengatasinya tanpa mengubah semua kabel di rumah akan dijelaskan nanti.
Perhatian!
Beberapa pengrajin, dengan mengandalkan pengetahuan dasar teknik elektro, memasang kabel netral sebagai kabel ground. Jangan pernah lakukan itu. Jika terjadi putusnya kabel netral, rumah perangkat yang diarde akan diberi energi 220 V.
Tambahkan situs ke bookmark
Apa yang perlu diketahui pemula tentang listrik?
Kami sering didekati oleh pembaca yang sebelumnya tidak pernah mengalami pekerjaan di bidang kelistrikan, tetapi ingin memahami hal ini. Untuk kategori ini dibuat judul "Listrik untuk pemula".
Gambar 1. Pergerakan elektron dalam konduktor.
Sebelum melanjutkan dengan pekerjaan yang berhubungan dengan listrik, perlu untuk "memahami" sedikit secara teoritis dalam hal ini.
Istilah "listrik" mengacu pada pergerakan elektron di bawah pengaruh medan elektromagnetik.
Hal utama adalah memahami bahwa listrik adalah energi partikel bermuatan terkecil yang bergerak di dalam konduktor ke arah tertentu (Gbr. 1).
Arus searah praktis tidak mengubah arah dan besarnya dari waktu ke waktu. Katakanlah dalam baterai konvensional ada arus searah. Maka muatan akan mengalir dari minus ke plus, tidak berubah hingga habis.
Arus bolak-balik adalah arus yang berubah arah dan besarnya dengan periodisitas tertentu. Pikirkan arus sebagai aliran air yang mengalir melalui pipa. Setelah jangka waktu tertentu (misalnya, 5 detik), air akan mengalir ke satu arah, lalu ke arah lain.
Gambar 2. Diagram perangkat transformator.
Dengan arus, ini terjadi lebih cepat, 50 kali per detik (frekuensi 50 Hz). Selama satu periode osilasi, arus naik hingga maksimum, kemudian melewati nol, dan kemudian terjadi proses sebaliknya, tetapi dengan tanda yang berbeda. Ketika ditanya mengapa ini terjadi dan mengapa diperlukan arus seperti itu, dapat dijawab bahwa menerima dan mentransmisikan arus bolak-balik jauh lebih mudah daripada arus searah. Menerima dan mentransmisikan arus bolak-balik terkait erat dengan perangkat seperti transformator (Gbr. 2).
Sebuah generator yang menghasilkan arus bolak-balik jauh lebih sederhana dalam desain daripada generator arus searah. Selain itu, arus bolak-balik paling cocok untuk transmisi daya jarak jauh. Dengan itu, lebih sedikit energi yang terbuang.
Dengan bantuan trafo (alat khusus berupa kumparan), arus bolak-balik diubah dari tegangan rendah ke tegangan tinggi, dan sebaliknya, seperti yang ditunjukkan pada ilustrasi (Gbr. 3).
Karena alasan inilah sebagian besar perangkat beroperasi pada jaringan di mana arus bolak-balik. Namun, arus searah juga digunakan cukup luas: di semua jenis baterai, di industri kimia dan di beberapa area lain.
Gambar 3. Diagram transmisi AC.
Banyak yang telah mendengar kata-kata misterius seperti satu fase, tiga fase, nol, tanah atau bumi, dan mereka tahu bahwa ini adalah konsep penting dalam dunia kelistrikan. Namun, tidak semua orang mengerti apa yang mereka maksud dan apa hubungannya dengan realitas di sekitarnya. Namun, Anda perlu mengetahui hal ini.
Tanpa membahas detail teknis yang tidak diperlukan oleh master rumah, kita dapat mengatakan bahwa jaringan tiga fase adalah metode mentransmisikan arus listrik ketika arus bolak-balik mengalir melalui tiga kabel dan kembali satu per satu. Hal di atas perlu beberapa klarifikasi. Setiap sirkuit listrik terdiri dari dua kabel. Satu per satu, arus mengalir ke konsumen (misalnya, ke ketel), dan di sisi lain ia kembali. Jika sirkuit seperti itu dibuka, maka arus tidak akan mengalir. Itulah gambaran lengkap rangkaian satu fasa (Gbr. 4 A).
Kawat tempat arus mengalir disebut fase, atau fase sederhana, dan melaluinya kembali - nol, atau nol. Sirkuit tiga fase terdiri dari tiga kabel fase dan satu kembali. Ini dimungkinkan karena fase arus bolak-balik di masing-masing dari tiga kabel digeser sehubungan dengan kabel yang berdekatan sebesar 120 ° (Gbr. 4 B). Buku teks tentang elektromekanika akan membantu menjawab pertanyaan ini secara lebih rinci.
Gambar 4. Skema rangkaian listrik.
Transmisi arus bolak-balik terjadi tepat dengan bantuan jaringan tiga fase. Ini menguntungkan secara ekonomi: dua kabel netral lagi tidak diperlukan. Mendekati konsumen, arus dibagi menjadi tiga fase, dan masing-masing diberi nol. Jadi dia masuk ke apartemen dan rumah. Meskipun terkadang jaringan tiga fase dibawa langsung ke rumah. Sebagai aturan, kita berbicara tentang sektor swasta, dan keadaan ini memiliki pro dan kontra.
Bumi, atau, lebih tepatnya, pentanahan, adalah kabel ketiga dalam jaringan fase tunggal. Intinya, itu tidak membawa beban kerja, tetapi berfungsi sebagai semacam sumbu.
Misalnya, ketika listrik tidak terkendali (misalnya, korsleting), ada risiko kebakaran atau sengatan listrik. Untuk mencegah hal ini terjadi (yaitu, nilai saat ini tidak boleh melebihi tingkat yang aman bagi manusia dan perangkat), pembumian diperkenalkan. Melalui kawat ini, kelebihan listrik secara harfiah masuk ke tanah (Gbr. 5).
Gambar 5. Skema pentanahan paling sederhana.
Satu lagi contoh. Katakanlah kerusakan kecil terjadi dalam pengoperasian motor listrik mesin cuci dan sebagian arus listrik jatuh pada cangkang logam luar perangkat.
Jika tidak ada ground, muatan ini akan berkeliaran di sekitar mesin cuci. Ketika seseorang menyentuhnya, dia akan langsung menjadi outlet paling nyaman untuk energi ini, yaitu, dia akan menerima sengatan listrik.
Jika ada kabel arde dalam situasi ini, kelebihan muatan akan mengalir melaluinya tanpa merugikan siapa pun. Selain itu, kita dapat mengatakan bahwa konduktor netral juga dapat diarde dan, pada prinsipnya, memang demikian, tetapi hanya di pembangkit listrik.
Situasi ketika tidak ada landasan di rumah tidak aman. Cara mengatasinya tanpa mengubah semua kabel di rumah akan dijelaskan nanti.
PERHATIAN!
Beberapa pengrajin, dengan mengandalkan pengetahuan dasar teknik elektro, memasang kabel netral sebagai kabel ground. Jangan pernah lakukan itu.
Jika terjadi putusnya kabel netral, rumah perangkat yang diarde akan diberi energi dengan 220 V.
Listrik telah dikenal orang sejak zaman kuno. Benar, orang belajar mengukur listrik secara praktis hanya pada awal abad ke-19. Kemudian butuh 70 tahun lagi sampai saat ketika, pada tahun 1872, ilmuwan Rusia A.N. Lodygin menemukan bola lampu pijar listrik pertama di dunia. Tetapi orang-orang memiliki pengetahuan tentang fenomena seperti listrik ribuan tahun yang lalu. Lagi pula, bahkan orang kuno pun memperhatikan sifat luar biasa dari wol yang digosok dengan ambar untuk menarik benang, debu, dan benda kecil lainnya. Jauh kemudian, sifat ini diperhatikan untuk zat lain, seperti belerang, lilin penyegel dan kaca. Dan karena fakta bahwa "amber" dalam bahasa Yunani terdengar seperti "elektron", sifat-sifat ini mulai disebut listrik.
Dan penyebab munculnya listrik adalah karena selama gesekan, muatan dibagi menjadi muatan positif dan negatif. Dengan demikian, muatan dengan tanda yang sama saling tolak menolak, dan muatan dengan tanda berbeda saling tarik menarik. Bergerak di sepanjang kawat logam, yang merupakan konduktor, muatan ini menghasilkan listrik.
Tanpa listrik di zaman kita, mustahil membayangkan kehidupan beradab yang normal. Itu bersinar, memanas, memberi kita kesempatan untuk berkomunikasi pada jarak yang sangat jauh satu sama lain, dll. Arus listrik menggerakkan berbagai unit dan perangkat - dari jam alarm kecil hingga rolling mill yang besar. Jadi jika Anda membayangkan bahwa suatu hari listrik dapat menghilang secara bersamaan di seluruh planet, kehidupan manusia akan berubah secara dramatis arahnya. Kita tidak dapat lagi melakukannya tanpa arus listrik, karena ia memberi makan dan membuat hampir semua mekanisme dan perangkat yang ditemukan oleh manusia bekerja. Dan jika Anda melihat ke sekeliling Anda, Anda dapat melihat bahwa di apartemen mana pun, setidaknya satu soket akan dicolokkan, dari mana kabel itu menuju ke tape recorder, TV, microwave, atau perangkat lain yang kita gunakan setiap hari di rumah atau di bekerja.
Saat ini, tidak ada negara beradab yang dapat hidup tanpa listrik. Bagaimana jumlah listrik yang begitu besar dihasilkan yang dapat memenuhi kebutuhan miliaran orang yang hidup di Bumi?
Untuk tujuan ini, pembangkit listrik telah dibuat. Listrik dihasilkan pada mereka dengan bantuan generator, yang kemudian ditransmisikan dalam jarak jauh melalui saluran listrik. Pembangkit listrik terdiri dari berbagai jenis. Beberapa menggunakan energi air untuk menghasilkan listrik, mereka disebut pembangkit listrik tenaga air. Lainnya mendapatkan energi dari pembakaran bahan bakar (gas, solar atau batubara). Ini adalah pembangkit listrik termal yang menghasilkan tidak hanya arus listrik, tetapi juga dapat secara bersamaan memanaskan air, yang kemudian memasuki pipa pemanas yang memanaskan bangunan rumah atau pabrik. Dan ada pembangkit listrik tenaga nuklir, angin, pasang surut, matahari dan banyak lainnya.
Pada pembangkit listrik tenaga air (PLTA), aliran air memutar turbin generator yang menghasilkan listrik. Di pembangkit listrik termal (TPP), tugas ini ditugaskan untuk uap air, yang terbentuk sebagai hasil dari pemanasan air dari pembakaran bahan bakar. Uap air di bawah tekanan yang sangat tinggi menyembur ke turbin generator, di mana ada banyak bagian berputar yang dilengkapi dengan kelopak khusus, yang mengingatkan pada baling-baling pesawat. Uap, melewati kelopak, memutar unit kerja generator, yang menghasilkan arus listrik.
Prinsip serupa digunakan di pembangkit listrik tenaga nuklir (NPP), hanya di sana bahan radioaktif - uranium dan plutonium - berfungsi sebagai bahan bakar. Karena sifat khusus uranium dan plutonium, mereka memancarkan panas yang sangat besar, yang digunakan untuk memanaskan air dan menghasilkan uap. Kemudian uap panas masuk ke turbin dan dihasilkan arus listrik. Menariknya, hanya sepuluh gram bahan bakar seperti itu yang menggantikan seluruh mobil batu bara.
Pada dasarnya, pembangkit listrik tidak bekerja sendiri. Mereka saling terhubung oleh kabel listrik. Dengan bantuan mereka, listrik diarahkan ke tempat yang paling membutuhkan. Jaringan listrik membentang di seluruh negara kita yang luas, sehingga arus yang kita gunakan di rumah dapat dihasilkan sangat jauh, ratusan kilometer dari apartemen kita. Tetapi di mana pun pembangkit listrik berada, berkat kabel listrik, setiap orang akan dapat mencolokkan steker dan soket dan menyalakan perangkat atau perangkat apa pun yang dia butuhkan.
Ini adalah gerakan teratur partikel bermuatan tertentu. Untuk menggunakan potensi listrik sepenuhnya secara kompeten, perlu dipahami dengan jelas semua prinsip perangkat dan pengoperasian arus listrik. Jadi, mari kita cari tahu apa itu kerja dan daya saat ini.
Dari mana arus listrik berasal?
Terlepas dari kesederhanaan pertanyaan itu, hanya sedikit yang mampu memberikan jawaban yang masuk akal untuk itu. Tentu saja, saat ini, ketika teknologi berkembang dengan kecepatan yang luar biasa, seseorang tidak terlalu memikirkan hal-hal dasar seperti prinsip pengoperasian arus listrik. Dari mana listrik berasal? Pasti banyak yang akan menjawab "Yah, dari soket, tentu saja" atau hanya mengangkat bahu. Sementara itu, sangat penting untuk memahami bagaimana arus bekerja. Ini harus diketahui tidak hanya oleh para ilmuwan, tetapi juga kepada orang-orang yang sama sekali tidak terhubung dengan dunia sains, untuk perkembangan serbaguna mereka secara umum. Tetapi untuk dapat menggunakan prinsip operasi saat ini dengan benar bukan untuk semua orang.
Jadi, pertama-tama Anda perlu memahami bahwa listrik tidak muncul entah dari mana: itu dihasilkan oleh generator khusus yang terletak di berbagai pembangkit listrik. Berkat kerja memutar bilah turbin, uap yang diperoleh sebagai hasil dari memanaskan air dengan batu bara atau minyak menghasilkan energi, yang kemudian diubah menjadi listrik dengan bantuan generator. Generatornya sangat sederhana: di tengah perangkat ada magnet besar dan sangat kuat, yang menyebabkan muatan listrik bergerak di sepanjang kabel tembaga.
Bagaimana listrik mencapai rumah kita?
Setelah sejumlah arus listrik diperoleh dengan bantuan energi (termal atau nuklir), ia dapat disuplai ke manusia. Pasokan listrik seperti itu berfungsi sebagai berikut: agar listrik berhasil menjangkau semua apartemen dan perusahaan, itu harus "didorong". Dan untuk ini Anda perlu meningkatkan kekuatan yang akan melakukannya. Ini disebut tegangan arus listrik. Prinsip operasinya adalah sebagai berikut: arus melewati transformator, yang meningkatkan tegangannya. Selanjutnya, arus listrik mengalir melalui kabel yang dipasang jauh di bawah tanah atau pada ketinggian (karena tegangan terkadang mencapai 10.000 volt, yang mematikan bagi manusia). Ketika arus mencapai tujuannya, ia harus melewati lagi transformator, yang sekarang akan mengurangi tegangannya. Kemudian melewati kabel ke perisai yang dipasang di gedung apartemen atau bangunan lain.
Listrik yang dibawa melalui kabel dapat digunakan berkat sistem soket yang menghubungkan peralatan rumah tangga dengannya. Kabel tambahan dibawa di dinding, di mana arus listrik mengalir, dan berkat itu, penerangan dan semua peralatan di rumah berfungsi.
Apa pekerjaan saat ini?
Energi yang dibawa arus listrik itu sendiri diubah dari waktu ke waktu menjadi cahaya atau panas. Misalnya, ketika kita menyalakan lampu, bentuk energi listrik diubah menjadi cahaya.
Berbicara dalam bahasa yang dapat diakses, kerja arus adalah tindakan yang dihasilkan oleh listrik itu sendiri. Selain itu, bisa sangat mudah dihitung dengan rumus. Berdasarkan hukum kekekalan energi, kita dapat menyimpulkan bahwa energi listrik tidak hilang, ia telah sepenuhnya atau sebagian berubah menjadi bentuk lain, sambil mengeluarkan sejumlah panas. Panas ini adalah kerja arus ketika melewati konduktor dan memanaskannya (terjadi pertukaran panas). Ini adalah bagaimana rumus Joule-Lenz terlihat seperti: A \u003d Q \u003d U * I * t (usaha sama dengan jumlah panas atau produk dari daya saat ini dan waktu di mana ia mengalir melalui konduktor).
Apa yang dimaksud dengan arus searah?
Arus listrik terdiri dari dua jenis: bolak-balik dan searah. Mereka berbeda karena yang terakhir tidak mengubah arahnya, ia memiliki dua klem (positif "+" dan negatif "-") dan selalu memulai gerakannya dari "+". Dan arus bolak-balik memiliki dua terminal - fase dan nol. Karena adanya satu fase di ujung konduktor yang juga disebut fase tunggal.
Prinsip-prinsip perangkat arus bolak-balik satu fase dan arus searah sama sekali berbeda: tidak seperti langsung, arus bolak-balik mengubah kedua arahnya (membentuk aliran baik dari fase ke nol, dan dari nol ke fase), dan besarnya . Jadi, misalnya, arus bolak-balik secara berkala mengubah nilai muatannya. Ternyata pada frekuensi 50 Hz (50 osilasi per detik), elektron mengubah arah gerakannya tepat 100 kali.
Di mana arus searah digunakan?
Arus listrik searah memiliki beberapa fitur. Karena kenyataan bahwa ia mengalir secara ketat ke satu arah, lebih sulit untuk mengubahnya. Elemen-elemen berikut dapat dianggap sebagai sumber arus searah:
- baterai (baik basa dan asam);
- baterai konvensional yang digunakan dalam peralatan kecil;
- serta berbagai perangkat seperti konverter.
operasi DC
Apa karakteristik utamanya? Ini adalah pekerjaan dan daya saat ini, dan kedua konsep ini sangat erat terkait satu sama lain. Daya berarti kecepatan kerja per satuan waktu (per 1 s). Menurut hukum Joule-Lenz, kita peroleh bahwa kerja arus listrik searah sama dengan hasil kali kekuatan arus itu sendiri, tegangan dan waktu selama kerja medan listrik diselesaikan untuk mentransfer muatan sepanjang konduktor.
Beginilah rumus untuk menemukan pekerjaan arus, dengan mempertimbangkan hukum resistansi Ohm dalam konduktor, terlihat seperti: A \u003d I 2 * R * t (usaha sama dengan kuadrat kekuatan arus dikalikan dengan nilai dari resistansi konduktor dan sekali lagi dikalikan dengan nilai waktu di mana pekerjaan dilakukan).
